皮質骨的案例
abaqus鉆削仿真，材料是皮質骨
abaqus鉆削仿真，熱力耦合，有溫度，有應力 !適用于初學者練習，提供答疑和教學
MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險
項目背景
隨著年齡的增長，骨量會逐漸減少，骨骼失去了鈣和其他礦物質，變得更輕，密度更小，氣孔也更多。伴隨著這一過程的持續，我們的骨骼變得越來越脆弱，也進一步增加了骨折的風險。當骨密度(BMD)，即單位體積骨骼中礦物質的濃度低于臨界值時，就被稱為骨質疏松癥。
目前，醫生通過測量骨密度，結合各種方法，如CT掃描或X光的身體檢查和其他生理參數，如性別、年齡、體重等來評估骨折風險。這些診斷方法主要是定性的，沒有考慮到椎骨的各種力學因素，如形狀、皮質骨厚度、皮質骨的密度分布(椎骨的外部區域)、松質骨的密度分布(椎骨的內部區域)、骨組織的材料特性等。
項目挑戰
骨質疏松癥的治療是復雜、費力、昂貴的，患者也將面臨副作用的風險。目前診斷骨折風險的方法不夠精確，這意味著可能有許多患者在骨折風險很低的情況下依然接受了此類治療。所以醫療專業人員需要更準確的方法來確定骨折風險，該方法應考慮患者的個體特征，以評估各種可能治療的潛在回報和風險。
Infosys團隊由高級工程小組首席顧問Datatraya Parle和工程分析師Anirudha Ambulgekar組成，他們與印度孟買的放射科醫生Ketan Gaikwad博士合作，目標是利用計算技術模擬椎骨結構中實際發生的生物力學變化，以量化骨折的風險，這個項目的目標也是利用機械工程的一些最佳實踐來解決生物醫學工程中的問題。
解決方案
Infosys團隊利用計算機輔助設計（CAD）和有限元分析（FEA）工具開發了一種解決方案，以研究椎骨的力學特性，同時考慮了各種因素，如皮質骨/松質骨的形狀、密度分布以及骨組織和孔隙度的其他材料特性。
展開 設計仿真 | MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險
這些診斷方法主要是定性的，沒有考慮到椎骨的各種力學因素，如形狀、皮質骨厚度、皮質骨的密度分布(椎骨的外部區域)、松質骨的密度分布(椎骨的內部區域)、骨組織的材料特性等。
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項目挑戰
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骨質疏松癥的治療是復雜、費力、昂貴的，患者也將面臨副作用的風險。目前診斷骨折風險的方法不夠精確，這意味著可能有許多患者在骨折風險很低的情況下依然接受了此類治療。所以醫療專業人員需要更準確的方法來確定骨折風險，該方法應考慮患者的個體特征，以評估各種可能治療的潛在回報和風險。
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這些診斷方法主要是定性的，沒有考慮到椎骨的各種力學因素，如形狀、皮質骨厚度、皮質骨的密度分布(椎骨的外部區域)、松質骨的密度分布(椎骨的內部區域)、骨組織的材料特性等。
02
項目挑戰
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骨質疏松癥的治療是復雜、費力、昂貴的，患者也將面臨副作用的風險。目前診斷骨折風險的方法不夠精確，這意味著可能有許多患者在骨折風險很低的情況下依然接受了此類治療。所以醫療專業人員需要更準確的方法來確定骨折風險，該方法應考慮患者的個體特征，以評估各種可能治療的潛在回報和風險。
展開 
牙槽骨隱形矯治器結構分析 ￥100
將皮質骨、松質骨、左側上頜第一磨牙、牙周膜、附件和隱形矯治器的幾何模型導入有限元軟件nsys workbench 16.0 (Swanson Analysis System Co.,Houston, TX, 美國)中，生成有限元模型并進行網格劃分。
接觸條件： 將以下結構的接觸面在AnsysWorkbench 16.0 中建立固定連接: 皮質骨-松質骨、牙周膜-牙槽骨、牙-牙周膜和牙-附件。隱形矯治器與牙冠和附件表面的接觸參照研究設定為摩擦接觸，摩擦系數為0.2。
Branemark種植固定義齒游離臂長度對應力分布影響的三維有限元分析
方法 :以一個實際病例 ,應用三維有限元法 ,對10mm、15mm、20mm三種不同長度的游離臂 ,在垂直和側向不同載荷受力時 ,對種植體骨界面的應力分布進行分析。結果 :(1)Branemark種植固定義齒遠中游離臂末端種植體皮質骨界面的應力值最大。(2)垂直和側向加載時 ,隨著游離臂長度的增加 ,種植體皮質骨界面的應力相應增加。結論 :遠中游離臂過長不利于種植體及其骨界面的應力均勻分布 ,游離臂長度以不超過10mm為安全。
Branemark 種植固定義齒游離臂長度.pdf
腰椎骶骨骨盆的受力分析
錐體采用四面體模型，分割皮質骨，松質骨，椎骨后部，椎間盤基質，髓核，纖維，韌帶，
為了方便建立椎間盤纖維模型，終板和椎間盤采用六面體模型
其中終板和上下表面采用tie約束，關節定義接觸約束
施加力矩，采用剛化L5頂面結點，與一參考點耦合，模擬前驅、后伸、左彎、右旋
結果作為對人體不同姿勢的骶骨骨盆受力和椎間盤壓縮變形的定性分析
以下分別為中立位的應力云圖，前驅和左彎的位移云圖，僅供參考
腰椎骶骨骨盆的受力分析
錐體采用四面體模型，分割皮質骨，松質骨，椎骨后部，椎間盤基質，髓核，纖維，韌帶，
為了方便建立椎間盤纖維模型，終板和椎間盤采用六面體模型
其中終板和上下表面采用tie約束，關節定義接觸約束
施加力矩，采用剛化L5頂面結點，與一參考點耦合，模擬前驅、后伸、左彎、右旋
結果作為對人體不同姿勢的骶骨骨盆受力和椎間盤壓縮變形的定性分析
以下分別為中立位的應力云圖，前驅和左彎的位移云圖，僅供參考
中立位應力云圖
修復材料對種植體周圍骨組織應力的影響
研究不同上部結構材料對種植體固定修復中種植體周骨組織的應力反應特點。方法:建立種植體支持固定橋力學模型,通過三維有限元方法分別計算在采用丙烯酸樹脂,釉質瓷,瓷,金合金為上部結構材料時骨組織的應力狀況。結果:每種工況下,種植體頸部周圍皮質骨區所受的應力都是最大的 ,四種材料比較時使用丙烯酸樹脂對種植體頸部骨組織的應力最小,其次為釉質瓷,瓷,最大為金合金。結論:修復材料的彈性模量會影響種植體周骨組織的應力分布,彈性模量低者對種植體頸部周圍骨組織有保護作用。釉質瓷可能是較為理想的修復材料
修復材料對種植體周圍骨組織應力的影響.pdf
展開 案例 | MSC Nastran 更準確的評估骨折風險解決方案
采用MSC Nastran 研究椎骨的力學性能，同時考慮到多種因素，例如形狀、皮質骨/松質骨的密度分布、其它骨組織的材質特性及疏松度。
2. 該解決方案可幫助從業者以詳細、非破壞性的方式來研究骨骼，并對椎骨的骨折風險進行定量分析。
3. 在確定骨折風險時，與傳統的BMD 測量方法相比，通過仿真所計算出的應力可提供更加準確的評估結果。
概述
隨著年齡的增加，人的骨骼會流失鈣質及其它礦物質，導致骨質流失，變得更輕、密度更低且更加疏松。而隨著這一過程的持續，我們的骨骼會變得更加脆弱，增大了骨折的風險。當骨密度（BMD，單位體積骨骼的礦物質濃度）低于臨界值時，人就會患上骨質疏松癥。
目前，醫生們通過測量BMD 并結合多種方法（如CT 掃描或X 光檢查）以及其它生理參數（如性別、年齡、體重等）來評估骨折風險。這些診斷方法大體上是定性診斷，不會考慮到椎骨的各種機械因素。
挑戰
骨質疏松癥的治療不僅復雜、費力、昂貴，而且患者會面臨副作用風險。現有骨折風險診斷方法的不準確性意味著可能會有大量患者在骨折風險相當低的時候進行了此類治療。醫學專家需要更準確的確定骨折風險的方法。
Infosys
團隊由高級工程團隊首席顧問Dattatraya Parle和工程分析師Anirudha Ambulgekar 組成，他們與放射科醫生Ketan
Gaikwad 博士在印度孟買開展合作，旨在利用計算技術對椎骨骨骼構造中發生的真實生物力學變化進行建模，從而實現骨折風險的量化。
解決/驗證
Infosys
團隊通過計算機輔助設計（CAD）和有限元分析（FEA）工具開發了一種研究椎骨機理的解決方案，可同時將多種因素考慮在內。Infosys
開發的這種創新的解決方案采用了可靠的機械工程原理，以便了解人體椎骨的生物力學，并可縮小在估算骨折風險時的誤差范圍。
展開 案例分享：肘關節有限元分析
三、分析過程：
設置條件：設定皮質骨、韌帶及軟骨的楊氏模量分別為17 000，48，15 MPa，泊松比分別為0.3，0.3，0.46 μ。采用四面體單元(Solid185)，分別進行有限元網格劃分，以桿單元建立肘關節內側副韌帶和外側副韌帶模型。
為了方便數據分析，以無穩定器的肘關節與有穩定器(一種內植入式解剖型肘關節穩定器)的肘關節為研究對象，模擬肘關節錯位時（由損傷或松解手術導致的肘關節不穩定）固定與否的不同工況，對每種工況分別施加載荷條件進行肘關節穩定性分析。
加載應力及分析邊界條件 ：將肱骨、尺骨、橈骨、肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨的四面體有限元網格模型文件及肘關節內側副韌帶和外側副韌帶模型文件導入Ansys軟件(Version
17.0，Ansys，美國)，賦予邊界條件并加載。將肱骨、尺骨、橈骨、肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨均假設為連續、均質及各向同性的線彈性材料。將尺骨和橈骨的遠端進行三向平移和三向旋轉約束。
加載應力 ：實驗采用的加載應力方式為沿肱骨縱軸軸向加壓，力的作用點位于整個肘關節模型的形狀中心。加載應力的大小設定為100 N，這近似于提拉質量10 kg物體的受力狀態。實驗中忽略了肘關節肌肉韌帶力，關節軟骨等介質的摩擦力及動力沖擊等，分析模型關節面各部分的應力分布情況和位移情況。
分析方法 ：通過給予肱骨縱軸軸向作用力后，分析不同固定方式的肘關節模型的穩定性。
主要觀察指標 應力加載后不同肘關節模型尺骨關節面的接觸應力及位移分布變化。
四、分析結果
關節面接觸應力分析 沿肱骨縱軸軸向加壓，加載應力的大小設定為100 N，對加載后的模型進行應力分析，得到各模型的應力分布情況。
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技術鄰學院丨MSC Nastran基礎培訓/精品講解/實際分析 三大福利齊聚！
采用MSC Nastran 研究椎骨的力學性能，同時考慮到多種因素，例如形狀、皮質骨/松質骨的密度分布、其它骨組織的材質特性及疏松度。
2. 該解決方案可幫助從業者以詳細、非破壞性的方式來研究骨骼，并對椎骨的骨折風險進行定量分析。
3. 在確定骨折風險時，與傳統的BMD 測量方法相比，通過仿真所計算出的應力可提供更加準確的評估結果。
振動噪聲技術貼 | 一種針對車輛阻尼片位置的優化方法
本文提出了一種識別阻尼片最優布放位置的計算方法。阻尼片可以提高基礎板件的隔聲性能，但是會帶來成本和重量的增加，因此有優化的需求。本文中的方法采用真實的汽車防火墻模型進行驗證。整車模態的計算不僅包含門板、地板和行李艙蓋，還包含了其他的金屬薄板。
Actran 案例 | 卡車艙室降噪
佩爾·奧洛夫說：“通過模擬聲音，項目經理們可以進行主觀體驗，這和傳統的做法很不同，對項目經理們是個全新的體驗。”，他解釋道：“僅僅通過曲線結果是很難真切體會當你在卡車內的聽覺體驗的。”
案例 | 利用Digimat快速評估聚合物炸藥的材料性能
由于孔隙結構形態復雜且無序分布，再加上目前實驗手段的限制，難以從實驗上建立孔隙與PBX宏觀力學性能的定量關系。以材料微觀結構為基礎的熱力學數值預測模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個問題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計算模型。
展開 剪切載荷下溫度和應變率對CF/PEEK復合材料強化行為的影響
圖 1 CF/PEEK 復合材料在不同應變率下的應力-應變曲線
圖 2 CF/PEEK 復合材料在不同溫度下的應力-應變曲線
近幾年對PEEK的研究主要集中在醫療器械方面，這主要是由于PEEK的彈性模量約為3～4 GPa，與純鈦（110 GPa）相比，更接近骨組織的彈性模量（松質骨3.2～7.8 GPa，皮質骨17～20 GPa），可以避免應力遮擋效應，有效地將骨組織界面的應力均衡傳遞，維持骨結合界面的穩定。然而與金屬種植體相比，PEEK的機械性能有待提高，而纖維增強就是一個很有效的方法。目前有玻纖、碳纖增強PEEK復合材料，以CF/PEEK為例，采用采用CF/PEEK單向預浸料0°制備LU-CF/PEEK復合板材，其縱向模量可達130 GPa！
展開 切削仿真技術在生物醫學領域的應用
（3）為了簡化模型，學者們一般都假定骨骼材料是各向同性的，特別是皮質骨，盡管各向同性的設置在簡化模型、提高效率方面是有益的，但這也會產生與各向異性材料不同的結果。
本文參考文獻：
Takabi, B. and B. L. Tai (2017). "A review of cutting mechanics and modeling techniques for biological materials." Med Eng Phys 45: 1-14.
舊瓶裝新酒？金屬漿料直寫3D打印技術現狀
％，獲得了孔徑為500 μm，總孔隙率為58%的鈦合金支架，燒結收縮率為13%，抗壓強度和彈性模量值分別為39.58 MPa和450 MPa，與松質骨的力學性能相當。Chen[3]報道了一種熱固性的生物聚合物，用作DIW的粘合劑制備出多孔鈦人工骨支架，該支架表現出類似于人皮質骨的有效楊氏模量（20.2 GPa），減輕了不良的應力屏蔽作用，并具有超高的強度（σ= 340 MPa）。
△通過3D纖維沉積的Ti6Al4V支架 （A）頂視圖，（B）側視圖
2018年意大利帕多瓦大學Hamada Elsayed等人[4]通過控制漿料的流變性質，開發了基于水-鈦粉末懸浮液的合適漿料配方，結合液由水、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇（PEG）組成，采用DIW技術打印出孔隙率高達65％的Ti-6Al-4V支架（下圖），燒結后總收縮量約為40 vol%，壓縮屈服應力范圍在110—130 MPa之間，這些值大大超過了通過SLM 產生的類似Ti-6Al-4V結構的壓縮應力屈服強度，范圍為10–30 MPa。上述實驗的多孔鈦支架在后期生物實驗中都表現了良好的生物相容性，測量結果顯示在鈦支架上有良好的細胞增殖，這是令人欣喜的結果。除此之外，Hamada Elsayed還嘗試了Ti2AlC材料進行漿料直寫打印的可能性。盡管需要更多的體內和體外研究來評估DIW工藝用來制備生物鈦合金組件巨大潛力，但它的簡單性和靈活性將極大的促進鈦支架的發展，擴展其在生物醫學領域的應用。
△在1450°C熱處理之前和之后通過漿料直寫成型工藝制作的三維Ti多孔結構
鋼結構的DIW案例
除了鈦及其鈦合金外，也有研究圍繞其他金屬漿料展開，以確定其潛在的應用。
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